[发明专利]生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN薄膜及其制备方法和应用，尤其是涉及一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

与传统光源相比，发光二极管(LED)具有耗电量低、寿命长、亮度高、体积小，适应性和可控性强等突出特点，是一种新型固体照明光源和绿色光源，在室内外照明及装饰工程等领域具有广泛的应用。在石化能源越来越枯竭、全球气候变暖问题越来越严峻的时代背景下，节能减排成为了全球共同面对的重要课题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，经过40多年研发攻关及开发应用，全球性的半导体照明产业已经逐渐形成。LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，将成为新一代主流照明产品。21世纪将是以LED为代表的新型照明光源的时代，但是现阶段LED的发光效率低，成本造价高，大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

近几年，III-族氮化物GaN以其在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，受到广泛关注。GaN是直接带隙宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿介电强度高、电子漂移饱和速度高、化学性能和导热性能好等优点，是制造高效的LED器件的理想材料。目前，GaN基LED的发光效率现在已经达到28％并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2％)或荧光灯(约为10％)等照明方式的发光效率。数据统计表明，我国目前的照明用电每年在4100亿度以上，超过英国全国一年的总用电量。如果用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，可节省近一半的照明用电，超过三峡工程全年的发电量。并可减少二氧化碳和其他温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。另外，与荧光灯相比，GaN基LED不含有毒的汞元素，且使用寿命约为此类照明工具的100倍。

要降低LED的造价成本，使LED要真正实现大规模广泛应用，首先需要进一步提高GaN薄膜的均匀性。GaN薄膜的均匀性不仅影响到整个器件的光学特性，而且对薄膜的利用率、LED的成品率和成本有非常重要的影响。在各种GaN薄膜制备技术中，脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)技术以其操作方便、沉积效果好以及可以在多种衬底上制备等优势而得到重视，特别在军工领域得到广泛应用。但是由于激光产生的等离子体羽的区域很小，很难制备出高均匀性的GaN薄膜，成为脉冲激光沉积的限制条件之一。因此迫切需要寻找一种调试薄膜厚度均匀性的方法应用于外延生长GaN薄膜。

发明内容

为了解决现有技术难以外延生长均匀性的GaN薄膜，本发明提供了一种低成本、质量优、均匀性高的一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜及其制备方法和应用。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜，包括Al₂O₃衬底及其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向依次外延生长的AlN形核层和GaN薄膜；所述AlN形核层的厚度为5-10nm；所述GaN薄膜的厚度为100-200nm。

采用Al₂O₃衬底以(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向作为外延方向，晶体外延取向关系为：GaN的(0001)面平行于Al₂O₃的(0001)面，即GaN(0001)//Al₂O₃(0001)。Al₂O₃[0001]方向具有与GaN相同的六方对称性(有30°旋转)，Al₂O₃的生长工艺成熟，价格低廉。

本发明中，优选的方案为所述AlN形核层以及GaN薄膜的厚度的不均匀性为1-3％。

一种生长在蓝宝石衬底上的高均匀性GaN薄膜的方法，包括如下步骤：

a.将Al₂O₃衬底进行清洁、退火处理；退火处理可去除衬底表面的机械损伤，使衬底获得原子级平整的表面。

b.将经过a步骤处理的Al₂O₃衬底在其(0001)面往(10-10)面偏0.2°方向作为晶体外延生长方向，外延一层AlN形核层，所述AlN形核层的厚度为5-10nm；